Strona głównaPytania → Energia promieniowania kosmicznego

Energia promieniowania kosmicznego

Pytanie

Pyta Ryszard

Czy w promieniowaniu kosmicznym docierającym w pobliże Ziemi mogą być cząstki o dowolnie wysokiej energii? Czy też jest tak, że energia początkowa uzyskiwana ze źródła jest w drodze tracona i w rejonie naszej planety osiąga pewną graniczną wartość maksymalną, która nie może być przekroczona?

Odpowiedź

Odpowiada prof. Marek Demiański

Promieniowanie kosmiczne to ogólny termin obejmujący strumień cząstek elementarnych i jąder atomowych docierających do górnych warstw atmosfery Ziemi. W skład promieniowanie kosmicznego wchodzą głównie protony. Cząstki promieniowania kosmicznego, które trafiają w atmosferę Ziemi zderzając się z znajdującymi się tam jądrami atomowymi powodują powstanie kaskad cząstek elementarnych, niektóre z nich docierają do powierzchni Ziemi. Dotychczas zaobserwowano kaskady o całkowitej energii rzędu 3×1020 eV. Jeżeli taką kaskadę spowodował proton to jego energia była około 100 000 razy większa od maksymalnej energii jaką można uzyskać w działających obecnie ziemskich akceleratorach. Przestrzeń kosmiczna jest wypełniona fotonami mikrofalowego promieniowania tła, które jest pozostałością po Wielkim Wybuchu. Promieniowanie tła ma widmo promieniowania ciała doskonale czarnego, a jego obecna temperatura wynosi 2.725K. Gdy wysokoenergetyczny proton zderza się z fotonem tła może nastąpić reakcja fotoprodukcji pionów:

gamma + p -> n + pi+ lub gamma + p -> p + pi0

w której proton traci energię. Jeśli źródła promieniowania kosmicznego są tak daleko, że w trakcie lotu ze źródła do Ziemi proton zderza się z fotonami tła, to w promieniowaniu kosmicznym nie powinno być protonów o energii większej niż minimalna energia konieczna do zajścia tych reakcji. Ta graniczna energia jest znana jako energia GZK od nazwisk fizyków (Greisen, Zatsepin i Kuźmin), którzy pierwsi zwrócili uwagę na ten efekt. Ta graniczna energia wynosi około 3×1020eV. Można również obliczyć, że średnia droga swobodna protonu o energii rzędu 1020 eV na zderzenie z fotonami promieniowania tła wynosi około 10 milionów lat świetlnych (przypomnijmy, że wiek Wszechświata wynosi około 14 miliardów lat). Protony o energii większej od 1020 eV mogą docierać do górnych warstw atmosfery Ziemi tylko z ewentualnych źródeł znajdujących się w odległości nie przekraczającej 10 milionów lat świetlnych.